Last Up Date April 25, 2000 by Yasu
i) パルスレーザーによる堆積アモルファスSiの溶融結晶化
a)背景
液晶ディスプレイの駆動素子であるTFTs（Thin Film Transistors：薄膜トランジスタ）の高速化、コストダウンに向けて、ガラス基板上に移動度の高い多結晶Siを制御よく、安価に形成することが望まれている。多結晶Siの特性向上に欠かせない、その粒径増加および粒界制御を行う一手法に、パルスレーザービームを用いたアモルファスSi（a-Si）薄膜の溶融結晶化法（レーザーアニール法）がある。
b) 目的
レーザーアニールにて、a-Si薄膜全体を均一加熱、溶融させてしまうと、右図(a)のようにランダムに核発生が起こり、粒界はランダムなものとなる。そこで、一般には、膜を予め加工したり、レーザーを干渉させたりすることで、例えば右図(b)のような縞状に、溶融結晶化開始位置や成長方向を制御している。
我々は、この加熱位置制御に、高コヒーレント直線偏光レーザーがもたらす周期的光強度分布を利用する。これにより、単にレーザーを照射するだけで、粒界を制御できることとなり、アニール前処理や光学装置の追加が省略され、生産性、コスト面においても有利となり得る。
c) 方法
高コヒーレント直線偏光パルスレーザーによりもたらされる周期的表面形態の形成
ビームの入射角θiとビームの波長λにより周期幅L=λ/(1-sinθi)が定まる。周期構造はビームの電界ベクトルに垂直な方向に、表面に形成される。これは、レーザー照射によって試料表面上に周期Lの光強度分布、すなわち温度分布が発生し、それに対応して材料表面が溶融固化してできたものとと考えられる。
この現象のメカニズムはまだ明らかとはなってないが、入射光と散乱光との干渉などというモデルが提案されている。
前述の高コヒーレント直線偏光レーザービームがもたらす周期的温度分布を用い、Pyrex基板上に堆積したa-Si膜を縞状に加熱する。パルス間に溶融した膜は再結晶化するが、その時、光強度の低い低温部から結晶化が始まるため、高温部に向かって結晶成長することとなる。
その結果、高温部で、成長してきた粒子同士が衝突するため粒界がストライプ状に制御される。
d) 成果
- まず、レーザー照射を行うだけで、周期的な温度分布が得られるかどうかを、単結晶Si基板上へレーザー照射を行うことで確認した。図は、その試料表面のAFM（原始間力顕微鏡）像である。
図中のグラフは、白線矢印の凹凸差を測ったもの。
- 実際に、Pyrex基板上に堆積したa-Si膜（60nm）にレーザー照射を行った試料の表面SEM（走査型電子顕微鏡）像。粒界を顕在化させるため、Seccoエッチング（結晶性の低い相を溶解する）処理を施してある。図で葉脈のように見える線が粒界である。白く見えるのは、粒子が衝突した際、盛り上がったものと考えている。
粒界位置を制御できなかった試料における結晶化状態
周期的な光強度分布が、結晶核の発生位置を制御できなかったため、粒界の位置もそれに伴いランダムに形成されてしまっている。
粒界位置を制御した試料における結晶化状態
誘導された周期的光強度分布に従って膜が結晶化したため、おおまかに周期幅550nmの粒界が形成されている。これにより、粒子が比較的大きく結晶化しているのがわかる。しかし、細かく見ると、まだ縦横に粒界が走っており、完全に結晶化過程を制御しきれているとはいい難い。これらは、これからの課題となる。
